El Shelyak eShel III es un potente espectrógrafo Echelle de tercera generación, diseñado específicamente para programas de observación astronómica exigentes. Combina una elevada resolución espectral con un amplio rango espectral. Por ello, este instrumento resulta idóneo para astrónomos aficionados con orientación científica, universidades, observatorios y grupos de investigación que deseen evaluar cuantitativamente los espectros estelares y estudiar las variaciones temporales de los objetos astrofísicos.
Con una resolución de R = 10 000 en el rango espectral de aproximadamente 370 a 910 nanómetros, el eShel III abarca gran parte del ultravioleta cercano, todo el rango visible y una parte del infrarrojo cercano. El registro simultáneo de numerosas líneas espectrales en una sola toma resulta especialmente interesante para el análisis de las atmósferas estelares, la medición de velocidades radiales, la observación de estrellas variables y el estudio de objetos con líneas de emisión.
El principio Echelle: alta resolución con un amplio rango espectral
Los espectrógrafos de rejilla convencionales suelen enfrentarse a un conflicto de objetivos intrínseco: una alta resolución espectral, dado un tamaño de sensor determinado, se consigue a expensas del rango de longitudes de onda que puede captarse simultáneamente. El eShel III resuelve este conflicto de objetivos mediante el método Echelle, en el que una rejilla de difracción funciona en órdenes de difracción elevados.
La luz del objeto observado se introduce en el espectrógrafo a través de una fibra óptica y se dirige hacia la rejilla Echelle. Los altos órdenes de difracción generan una fina separación espectral. Dado que los distintos órdenes se solapan en sus rangos de longitudes de onda, un sistema de dispersión cruzada separa adicionalmente los órdenes entre sí en el plano espacial. En el eShel III, esta tarea la realiza un prisma.
De este modo, en el sensor de la cámara no se forma una única banda espectral continua, sino un espectro Echelle bidimensional compuesto por numerosos órdenes espectrales yuxtapuestos. El software de análisis extrae cada uno de los órdenes, los calibra y los combina para formar un espectro de utilidad científica.
El eShel III utiliza, en particular, los órdenes espectrales del 25 al 60. De este modo, se cubre un rango de longitudes de onda de aproximadamente 370 a 910 nm.
Diseño acoplado a fibra para unas condiciones de medición estables
Una característica esencial del diseño del eShel III es la separación entre el sistema de acoplamiento de luz situado en el telescopio y el espectrógrafo propiamente dicho. La luz estelar se transmite al espectrógrafo a través de una fibra óptica con un diámetro de núcleo de 50 µm.
Este diseño ofrece varias ventajas:
- Estabilidad térmica: el espectrógrafo puede instalarse en una sala con temperatura controlada. Esto reduce las alteraciones de la geometría óptica debidas a la temperatura y favorece la reproducibilidad de las mediciones
- Mejores condiciones de medición para las velocidades radiales: un entorno más estable para los instrumentos facilita la comparabilidad precisa de espectros sucesivos en el tiempo
- Instalación flexible: no es necesario que el telescopio y el espectrógrafo estén montados uno junto al otro
- Manejo cómodo: la sensible óptica espectroscópica puede funcionar independientemente de las condiciones mecánicas y térmicas del telescopio.
El concepto se basa en la experiencia del fabricante con espectrógrafos profesionales acoplados a fibra, como MUSICOS y Narval. Sin embargo, la transmisión por fibra no garantiza por sí sola una precisión determinada en la medición de la velocidad radial: esta depende además de que el espectrógrafo esté calibrado, de la estabilidad de la escala de longitudes de onda, de la configuración del instrumento y de la reducción de datos.
Sistema óptico y detector
El módulo espectrógrafo del eShel III utiliza un sistema óptico Petzval especialmente desarrollado, con una distancia focal de 122 milímetros y una relación de apertura de f/2,2. Esta óptica de cámara reproduce el espectro bidimensional generado por el sistema Echelle en el sensor de la cámara científica. El diseño está pensado para lograr un enfoque lo más uniforme posible de los órdenes espectrales utilizados.
Para la captura espectral, Shelyak recomienda una cámara monocroma con sensor Sony IMX571, como por ejemplo la ZWO ASI2600MM Pro. La cámara no se incluye en el suministro del espectrógrafo y debe adquirirse por separado.
La combinación de la óptica Echelle y un sensor CMOS de gran superficie permite la captura simultánea de numerosas órdenes espectrales.
Dos versiones para el enfoque
Para el enfoque de la captura espectral, el espectrógrafo está equipado con un enfocador helicoidal manual. No obstante, también hay disponible una variante con enfocador motorizado de PrimaLuceLab, que permite el enfoque por control remoto.
Calibrado y alimentación de luz
Para obtener un espectro científicamente válido es imprescindible que las líneas espectrales estén calibradas de forma fiable. Por ello, Shelyak ofrece una unidad de calibración con una lámpara de cátodo hueco de torio-argón (ThAr). Esta puede adquirirse como accesorios o como sistema completo junto con el espectrógrafo.
Las numerosas líneas de emisión conocidas de estas lámparas sirven de referencia para la asignación de las posiciones de los detectores a las longitudes de onda.
El sistema de calibración incluye, además, una lámpara halógena que puede utilizarse para la obtención de imágenes Flatfield. Dichas imágenes facilitan la corrección de la distribución de la sensibilidad y de las heterogeneidades instrumentales.
La transmisión de la luz se realiza a través de dos fibras ópticas de 20 m de longitud cada una:
- Fibra de objeto con un diámetro de núcleo de 50 µm: transmite la luz estelar recogida por el telescopio al espectrógrafo.
- Fibra de calibración con un diámetro de núcleo de 200 µm: conduce la luz de la unidad de calibración.
En los telescopios, la fibra se conecta a través de la unidad de inyección y guía de fibra FIGU F/6. Esta unidad facilita el acoplamiento preciso del objeto de observación en la fibra de objeto, de tan solo 50 µm de grosor, y permite el seguimiento del objeto. La configuración completa del sistema incluye, además, la fuente de alimentación de alta tensión correspondiente para la lámpara de calibración, los cables de conexión y los adaptadores.
Ámbitos de aplicación científica
- Estrellas Be y otros objetos con líneas de emisión: El estudio de las líneas de emisión, en particular de la serie de Balmer del hidrógeno, permite extraer conclusiones sobre la materia circunestelar, los movimientos de gas y los cambios en el entorno estelar. El eShel III es adecuado para observaciones repetidas a lo largo del tiempo de estrellas Be, así como de estrellas Wolf-Rayet, novas y objetos estelares jóvenes.
- Estrellas variables y espectroscopia con resolución temporal: mediante la adquisición repetida de espectros calibrados, es posible registrar cambios en los perfiles y las posiciones de las líneas. Resultan especialmente interesantes las estrellas pulsantes como las RR Lyrae, cuyos espectros proporcionan información sobre los movimientos atmosféricos y la fase de pulsación.
- Velocidades radiales e investigación de exoplanetas: los desplazamientos de las líneas espectrales con respecto a una referencia pueden utilizarse para determinar la velocidad radial de una estrella. De este modo, en condiciones de medición adecuadas, es posible realizar estudios de estrellas dobles espectroscópicas y de determinados programas de velocidad radial. La precisión real de la medición depende en gran medida de la estabilidad del instrumento, que esté calibrado, la relación señal-ruido y el método de evaluación.
- Espectros solares y estelares: el gran número de órdenes espectrales registrados simultáneamente permite el estudio de numerosas líneas de absorción. A partir de ello, en condiciones de análisis adecuadas, se puede obtener información sobre la temperatura, la composición química y las condiciones físicas en las atmósferas estelares.
- Nebulosas planetarias, asteroides y cuerpos planetarios: en el caso de las nebulosas planetarias, el interés se centra en las líneas de emisión y sus relaciones de intensidad. Por el contrario, la espectroscopia de asteroides y otros cuerpos del sistema solar puede proporcionar indicios sobre las propiedades de la superficie, la luz solar reflejada y los rasgos de clasificación espectral.
Software y reducción de datos científicos
Para el funcionamiento y el análisis, Shelyak pone a disposición el software Demetra en una versión adaptada al eShel. Este software facilita el flujo de trabajo desde la calibración hasta el procesamiento de los datos espectrales.
En el caso de los espectrógrafos Echelle, la reducción de datos constituye una parte esencial del procedimiento de medición: es necesario identificar, extraer y calibrar en longitud de onda cada una de las órdenes espectrales y, en su caso, corregirlas en función de la sensibilidad del instrumento. Para análisis más exhaustivos, los espectros obtenidos pueden utilizarse posteriormente, por ejemplo, para estudiar perfiles de líneas, anchuras equivalentes y desplazamientos Doppler.
Como referencia adicional, Shelyak menciona un tutorial de análisis para el software ISIS. De este modo, además del software propio del fabricante, se dispone de otro enfoque para el procesamiento de espectros astronómicos.
El Shelyak eShel III es una solución potente para aquellos usuarios que desean ir más allá de la simple clasificación espectral y desean obtener espectros reproducibles y cuantificables. Su combinación de tecnología Echelle, amplio rango de longitudes de onda, cable de fibra óptica y espectros calibrados resulta especialmente adecuada para programas de observación exigentes en el ámbito de la astrofísica estelar.
Contenido del sistema completo
- Espectrógrafo eShel-III con óptica Petzval de 122 mm y enfocador manual o motorizado, a elegir
- Interfaz de cámara para la ZWO ASI2600MM Pro
- FIGU F/6 para inyección de fibra y seguimiento
- Fibra de objeto con un diámetro de núcleo de 50 µm y una longitud de 20 m
- Fibra de calibración con un diámetro del núcleo de 200 µm y una longitud de 20 m
- Módulo de calibración con lámpara de torio-argón y lámpara halógena
- Fuente de alimentación de alta tensión y cables correspondientes
- Anillo adaptador M42-T
- Herramientas de ajuste
- Documentación de instalación y manejo.
Tenga en cuenta que la cámara no está incluida en el suministro.
